• Aucun résultat trouvé

Time-resolved spectroscopy on epitaxial graphene in the infrared spectral range: relaxation dynamics and saturation behavior

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Time-resolved spectroscopy on epitaxial graphene in the infrared spectral range: relaxation dynamics and saturation behavior"

Copied!
37
0
0

Texte intégral

(1)

HAL Id: hal-01003137

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01003137

Submitted on 20 Jun 2014

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Time-resolved spectroscopy on epitaxial graphene in the infrared spectral range: relaxation dynamics and

saturation behavior

Stephan Winnerl, F. Göttfert, Martin Mittendorff, Henri Schneider, Manfred Helm, Torben Winzer, Ermin Malic, Andreas Knorr, Milan Orlita, Marek

Potemski, et al.

To cite this version:

Stephan Winnerl, F. Göttfert, Martin Mittendorff, Henri Schneider, Manfred Helm, et al.. Time- resolved spectroscopy on epitaxial graphene in the infrared spectral range: relaxation dynamics and saturation behavior. Journal of Physics: Condensed Matter, IOP Publishing, 2013, 25 (5), pp.054202.

�10.1088/0953-8984/25/5/054202�. �hal-01003137�

(2)

Time-resolved spectroscopy on epitaxial graphene in the infrared spectral range: relaxation dynamics and saturation behavior

S Winnerl1, F Göttfert1, M Mittendorff1,5, H Schneider1, M Helm1,5, T Winzer2, E Malic2, A. Knorr2, M Orlita3,6, M Potemski3, M Sprinkle4, C Berger4, W A de Heer4

1Helmholtz‐Zentrum Dresden‐Rossendorf, P.O. Box 510119, 01314 Dresden, Germany 

2Technische Universität Berlin, Hardenbergstraße 36 10623 Berlin, Germany 

3Grenoble High Magnetic Field Laboratory, CNRS‐UJF‐UPS‐INSA F‐38042 Grenoble Cedex 09,  France 

4Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332, USA 

5Technische Universität Dresden, 01062, Dresden, Germany 

6Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2, Czech  Republic 

 

Email: s.winnerl@hzdr.de   

Abstract.  We  present  the  results  of  pump‐probe  experiments  on  multilayer  graphene  samples performed in a wide spectral range, namely from the near‐infrared (photon energy  1.5 eV) to the terahertz (photon energy 8 meV) spectral range. In the near infrared, exciting  carriers  and  probing  at  higher  photon  energies  provides  direct  evidence  for  a  hot  carrier  distribution.  Furthermore  spectroscopic  signatures  of  the  highly  doped  graphene  layers  at  the  interface  to  SiC  are  observed  in  the  near‐infrared  range.  In  the  mid‐infrared  range,  the  various relaxation mechanisms, in particular scattering via optical phonons and Auger‐type  processes,  are  identified  by  comparing  the  experimental  results  to  microscopic  modelling. 

Changes  from  induced  transmission  to  induced  absorption  are  attributed  to  probing  above  or  below  the  Fermi  edge  of  the  graphene  layers.  This  effect  occurs  for  certain  photon  energies in the near infrared range, where it is related to highly doped graphene layers at the  interface  to  SiC,  and  in  the  far  infrared  range  for  the  quasi‐intrinsic  graphene  layers.  In  addition to the relaxation dynamics, the saturation of pump‐induced bleaching of graphene  is  studied.  Here  a  quadratic  dependence  of  the  saturation  fluence  on  the  pump  photon  energy in the infrared spectral range is revealed. 

 

(3)

PAC numbers: 78.67.Wj 81.05.ue 63.22.Rc

(4)

1. Introduction 

In graphene, a single layer of hexagonally ordered carbon atoms, electrons behave like  massless Dirac ferminons. This means that the valence and conduction bands touch each  other at the K and K´ point of the Brillouin zone and both bands exhibit linear dispersion  characterized  by  a  Fermi  velocity vF ≈  106  m/s  [1].  An  important  consequence  of  this  band structure is a constant absorption coefficient α0 = e2/(4ε0c) ≈ 2.3 % for visible and  infrared  photons  [2,3].  This  property  makes  graphene  attractive  for  photonic  and  optoelectronic  applications  in  a  wide  spectral  range.  During  the  last  years  many  graphene‐based  devices  such  as  fast  detectors  [ 4 , 5 ],  saturable  absorbers  [ 6 , 7 ],  broadband  polarizers  [ 8 ],  modulators  and  transparent  electrodes  [ 9 ]  have  been  demonstrated  (for  reviews  see  Refs. 10,11).  While  most  of  these  applications  concern  the visible and near‐infrared (NIR) spectral range, a THz modulator [12], indications for  THz  gain  under  NIR  excitation  [13],  and  a  THz  detector  concept  [14]  have  been  presented recently. In the far‐infrared (FIR, terahertz) spectral range, the gapless nature  of graphene is of particular importance. Furthermore this might be the most attractive  spectral  range  for  novel  devices,  because  the  existing  technology  based  on  standard  semiconductors  in  this  range  is  still  much  less  mature  as  compared  to  the  NIR  range. 

With respect to the development of fast optoelectronic devices an understanding of the  carrier relaxation dynamics is of key importance. To reveal the carrier dynamics, a large  number of single‐color and two‐color pump‐probe experiments have been performed on  graphene. However, almost all studies involve pump photon energies of 1.5 eV or higher  [15‐26]. So far only one single‐single color [27] and one two‐color [28] study has been  published,  in  which  excitation  pulses  in  the  mid‐  infrared  (MIR)  and  FIR  region  have  been applied. Similarly, studies on the saturation dynamics and applications as saturable  absorbers have focused on the NIR spectral range [6,7,29,30].  

In  this  article  we  present  an  extensive  time‐resolved  characterization  of  epitaxial  graphene  in  the  NIR,  MIR  and  FIR  spectral  ranges  where  we  investigate  both  the  relaxation dynamics at low fluences and the saturation dynamics at elevated fluences. In  the  NIR  spectral  range  we  mainly  discuss  two‐color  pump  probe  experiments  with  a  blue‐shifted  probe  beam.  These  experiments  provide  direct  evidence  for  a  hot‐carrier  distribution  and  allow  one  to  estimate  the  carrier  temperature.  In  the  MIR  range  we  compare our experimental results to calculations based on the density matrix formalism. 

The  calculations  allow  us  to  identify  the  predominant  relaxation  channels  at  different 

(5)

photon energies. In the FIR range a change in sign of the pump‐probe signal is observed  and ascribed to intraband absorption dominating over interband absorption for photon  energies below twice the value of the Fermi energy. Finally the dependence of relaxation  times  and  on  the  pump  fluence  is  investigated,  again  covering  the  entire  infrared  spectral range. 

 

2. Experimental  

All our pump‐probe experiments were performed in transmission geometry. The pump‐

induced change in transmission of the sample was measured by monitoring the intensity  of the probe beam as a function of the temporal delay between pump and probe pulses. 

The  temporal  delay  was  achieved  by  a  mechanical  delay  stage  operated  in  step‐scan  mode. 

Different  pulsed  infrared  sources  were  employed  for  covering  the  complete  infrared  spectral  range.  For  the  largest  photon  energy ≈  1.5  eV  a  Ti:sapphire  laser  oscillator  (wavelength: 750 – 840 nm, pulse energy 10 nJ, pulse duration 50 fs, repetition rate: 78  MHz) was applied. NIR photons of lower energy (0.39 eV – 1.1 eV; wavelength 1.1 µm –  3.2 µm) were generated by an optical parametric oscillator (OPO). The OPO was excited  with  the  above  mentioned  Ti:sapphire  laser  and  emitted  a  pulse  train  of  the  same  repetition rate. In the OPO the χ(2)‐nonlinearity of a crystal is exploited to generate a pair  of  photons,  called  signal  and  idler  photon.  Energy  conservation  requires  that  their  frequencies obey the following relation: 

idler signal

TiSa= ω + ω

ω  

 . (1)

The pulse duration of the OPO pulses was 200 fs, the pulse energy was in the nJ range. In  our  experiments  the  OPO  served  as  a  pulsed  photon  source  in  three  configurations. 

Firstly,  in  a  set  of  degenerate  pump‐probe  experiments,  idler  photons  (energy:  0.39  –  0.69 eV) provided both the pump and probe beams.  In a second (third) set of two‐color  experiments,  graphene  was  pumped  (probed)  with  signal  (idler)  photons  and  probed  (pumped)  with  idler  (signal)  photons,  respectively.  For  degenerate  pump‐probe  experiments  in  the  MIR  and  FIR  range  the  free‐electron  laser  FELBE  delivered  picosecond radiation pulses of µJ pulse energy (photon energy: 55 – 310 meV) [31,32].  

(6)

Pump  and  probe  beams  were  focused  on  the  sample  with  the  spot  size  of  the  probe  beam being slightly smaller as compared to the pump beam in order to achieve almost  uniform pumping within the probed area. Typical spot sizes (full width at half maximum,  FWHM) range from 70 µm for NIR radiation to 600 µm for the longest FIR wavelength. 

For  most  experiments  the  sample  was  mounted  in  an  optical  cryostat,  which  could  be  cooled  to  liquid  He  temperature.    The  NIR  experiments  were  performed  at  room  temperature only. 

Various detectors were applied for monitoring the intensity of the probe beam, namely  photodiodes  based  on  Si  and  InGaAs  for  the  NIR,  liquid‐nitrogen  cooled  mercury‐

cadmium‐telluride  (MCT)  detectors  for  the  MIR,  and  a  He‐cooled  extrinsic  Ge:Ga  photodetector or a He‐cooled Si bolometer for the FIR.  

In order to minimize scattered pump radiation on the detector, the polarization of pump  and  probe  beam  were  set  orthogonally  to  each  other,  and  a  polarization  analyser  was  placed  in  front  of  the  detector.  For  additional  reduction  of  interference  oscillations  caused  by  residual  pump  radiation  during  the  temporal  overlap  of  both  pulses,  a  fast  varying delay stage (shaker) with small amplitude was employed in the NIR experiments. 

This technique results in a rapid variation of the time delay by 20 fs in real‐time periods  shorter  than  the  integration  time  of  the  step‐scan  data  acquisition.  Hence  interference  fringes  are  efficiently  reduced,  while  the  temporal  resolution  of  the  experiment  is  decreased only slightly. 

The  graphene  samples  studied  in  our  experiments  were  grown  by  thermal  decomposition  of (0001)-oriented SiC, i.e. on the C-terminated face of SiC [33,34]. Even though this system contains multiple carbon layers, each layer behaves graphene-like rather than graphitic. Direct evidence for the linear dispersion and gapless nature was obtained by angle-resolved photoemission spectroscopy [35]. The lack of vertical electronic coupling of the graphene layers has been explained by the rotational stacking of the layers [36]. The graphene-like nature of our samples as well as their high crystalline quality has been verified by Raman spectroscopy [37], where a Lorentzian-shaped 2D peak and no disorder-induced D- peak were observed (not shown). The D-peak corresponds to the highest optical phonon branch at the K-point [38]. Due momentum conservation the single phonon mode is forbidden.

Further evidence for the graphene-like nature was provided by magneto-spectroscopy experiments [39,40,41]. The graphene layers are basically intrinsic except for the first few layers at the interface to SiC. The interface layers are strongly doped giving rise to a Fermi

(7)

energy of several hundred meV [20,21]. We note that multilayer graphene samples on SiC are especially well suited for a pump-probe study in the infrared range. The multiple layers result in large signals, hence a high signal-to-noise ratio can be achieved. Furthermore, unlike exfoliated graphene, these samples are not restricted to lateral sizes of a few 10 µm. This is important for the measurements in the FIR range, where the spot size of the beams is ~0.5 mm.

Finally the high transparency of the SiC substrate in the infrared range is only interrupted by the reststrahlenband in the region from 100 - 200 meV. We investigated three samples, containing ~40, ~50 and ~70 layers of graphene, respectively. The relaxation dynamics was similar for all samples, only the absolute value of the pump-induced transmission scaled with the number of layers. The number of layers is routinely estimated by elipsometry.

Nevertheless, the effective number of decoupled graphene layers seen in optical experiments in the infrared range is usually lower, as derived from our saturation experiments (see paragraph 4.2) and, for instance, from the strength of inter-Landau-level excitations [42,43].

We related this to a partial coverage of the SiC surface by graphene sheets and also to the partial AB stacking, e.g., into bilayers recently identified as a minor component in multilayer specimens with rotational stacking [44,45]. In addition, highly-doped interfacial graphene sheets become "invisible" when probing interband excitations at low energies. The linewidth obtained in the magneto-spectroscopy experiments ia a measure for the structural quality. For our samples the linewidth corresponds to a momentum scattering time of about 300 fs [41].

3. Relaxation dynamics  

3.1. Relaxation dynamics in the infrared range: overview 

Before  discussing  the  measured  pump‐probe  signals,  it  is  worthwhile  to  address  the  physical  mechanisms,  which  are  involved  in  the  carrier  relaxation  in  graphene.  These  include  carrier‐phonon  and  carrier‐carrier  scattering  processes,  which  can  be  of  intraband and interband type. Furthermore scattering is possible within one Dirac cone  (intravalley  scattering)  as  well  as  between  the  cone  at  the K  and K´  point  (intervalley  scattering). In Fig. 1 three important relaxation channels are depicted. Electron‐phonon  scattering in graphene is dominated by the scattering via optical phonons, in particular  by the G‐mode at the Γ‐point with Ω ≈ 200 meV. Scattering by acoustic phonons is less  efficient, since the phonon energy is much smaller and the electron‐phonon coupling is  weaker  [ 46 , 47 ,27].  From  theoretical  studies  as  well  as  previous  pump‐probe 

(8)

strong  in  graphene,  hence  carrier‐carrier  scattering  is  an  important  scattering  mechanism. As one can see in Fig. 1(b), both energy and momentum conservation can be  fulfilled  in  a  carrier‐carrier  scattering  process,  if  the  two  involved  subprocesses  occur  along one line in k‐space. This consequence of the linear band structure makes carrier‐

carrier  scattering  very  important  in  graphene.  Many  studies  suggest  a  thermalization  mainly  by  carrier‐carrier  scattering  on  a  timescale  of  the  order  of  100  fs  and  a  subsequent cooling of the hot carrier distribution mainly by optical phonons [15,26,48]. 

A detailed study of the fluence‐dependent contributions of carrier‐carrier scattering and  carrier‐phonon  scattering  to  the  thermalization  process  is  presented  in  the  article  by  Winzer and Malic in this issue [49]. Apart from electron‐electron scattering taking place  solely  in  the  conduction  band  as  sketched  in  Fig.  1(b),  there  are  Coulomb  processes,  where  at  least  one  subprocess  is  of  interband  type.  In  Fig.  1(c)  such  a  process,  namely  impact  excitation  –  also  called  inverse  Auger  scattering  –  is  illustrated.  In  this  process  one  conduction‐band  electron  transfers  energy  and  momentum  to  a  valence‐band  electron and by that excites  the latter into the conduction band [50,51]. There are two  important implications of this process. Firstly the number of carriers in the conduction  band  is  increased  (carrier  multiplication),  secondly  the  temperature  of  the  electron  distribution in the conduction band is decreased. Note that Auger recombination is the  inverse  process  of  impact  ionization  and  in  equilibrium  the  contributions  of  both  processes  cancel  each  other  out.  However,  shortly  after  the  optical  excitation  Auger  recombination  is  efficiently  suppressed  by  Pauli  blocking  due  to  the  filled  states  in  the  valence  band  resulting  in  a  stronger  impact  excitation  rate  compared  to  the  Auger  recombination rate [50,51].  

 

   

(9)

Figure  1:  Schematic  presentation  of  carrier  relaxation  processes  in  graphene  after  optical  pumping. 

(a)  Intraband  relaxation  via  optical  phonons  with  an  energy Ω 200 meV.  (b)  Intraband  electron‐

electron scattering in the conduction band. (c) Impact excitation increases the number of electrons in  the conduction band by bringing carriers from the valence band into the conduction band. The same  illustration, but with the direction of both arrows flipped, would correspond to Auger recombination. 

 

In Fig. 2 degenerate pump‐probe signals obtained in our experiments are presented. At  the  highest  energies  (E  =  1.5  eV  and  0.55  eV  in  Figs.  2(a)  and  2(b))  a  strong  positive  signal,  i.e.  pump  induced  transmission  is  followed  by  a  negative  signal  which  decays  with  a  time  constant  of  ~2.5  ps.  The  positive  signal  is  associated  with  pump‐induced  bleaching  of  the  transition,  the  negative  part  most  likely  is  caused  by  intraband  absorption. This regime will be discussed in section 4.1. Interestingly the relaxation time  remains  almost  unchanged  as  the  photon  energy  is  decreased  to  0.25  eV,  where  the  signal is purely positive (cf. Fig. 2(c)). Note that the slower rise time of the signal at this  energy is due to the longer pulse duration of 0.7 ps for the FELBE pulse for E = 0.25 eV  compared to 0.2 ps for the OPO pulse for E = 0.25 eV. As the photon energy is decreased  further, a strong increase in the relaxation time is observed (cf. Fig. 1(d) – Fig. 1(g)). This  slower  relaxation  for  photon  energies  below  the  optical‐phonon  energy  is  caused  by  a  suppression of optical‐phonon scattering, which is discussed in detail in section 3.3. The  pronounced increase of the relaxation time as the photon energy is decreased from 0.25  eV to 72 meV is accompanied by a significant change in the temperature dependence of  the  pump  probe  signal.  For E  =  0.25  eV  the  relaxation  time  for  300  K  is  only  slightly  shorter as compared to the case for 10 K, while for E = 72 meV the room temperature  relaxation time is much shorter. As the photon energy is further decreased from 30 meV  to 20 meV a change in sign of the pump‐probe signal is discovered (cf. Fig. 2(e) and Fig. 

2(f)).  As  discussed  in  section  3.4.,  this  effect  is  related  to  a  change  from  interband  absorption to intraband absorption as the photon energy is  decreased below twice the  value of the Fermi energy.  

Most of the pump‐probe signals can be described well assuming a biexponential decay. 

The  first  relaxation  time τ1 ≈  0.1  ps  is  observed  in  the  NIR  range  only.  It  is  associated  mainly  with  carrier‐carrier  scattering.  A  relaxation  time τ2  in  the  picosecond  range  is  present  at  all  investigated  photon  energies.  This  time  constant  is  related  mainly  to  scattering  via  optical  phonons.  The  dependence  of  this  relaxation  time  on  the  photon 

(10)

energy is plotted in Fig. 3. As already mentioned above, an optical‐phonon bottleneck, i.e. 

a  strong  suppression  of  this  relaxation  channel,  is  observed  as  the  photon  energy  is  decreased below the optical‐phonon energy. The results presented in Fig. 3 indicate the  importance of fast thermalization via Coulomb processes. If Coulomb scattering played  no role and relaxation was basically determined by a cascade of optical phonon emission  processes [52], one would expect a strong increase of τ2 for E < 400 meV, since for these  energies  the  intraband  optical  phonon  emission  is  forbidden  by  energy  conservation  requirements  (cf.  Fig.  1(a)).  However,  no  significant  change  of τ2  is  observed  in  this  energy  range.  This  is  a  strong  indication  that  Coulomb  processes,  which  enable  both  intraband  relaxation  of  hot  carriers  via  optical  phonons  and  interband  optical  phonon  scattering,  are  essential  for  a  realistic  description  of  the  carrier  dynamics.  In  the  FIR  range we find an additional slow relaxation time constant τ3 that is related to scattering  via acoustic phonons. We note that in our experiments τ1 can not be observed in the MIR  and FIR ranges, because the temporal resolution, which is limited by the pulse duration,  is not high enough. On the other hand, the signal components related to τ3 are buried in  the noise in the NIR experiment, where the signal decays quickly due to the short τ2 time  constant. 

(11)

 

Figure 2: Normalized pump‐induced transmission for different photon energies. In the left panel the  curves are plotted on a linear scale, hence positive and negative contributions are visible. In the right  panel the same data are plotted on a logarithmic scale, which allows one to easily compare the decay  time  constants.    Note  the  different  scaling  of  the  time‐delay  axis  for  the  sets  (a‐c)  and  (d‐g),  respectively. 

   

(12)

 

Figure 3. Dependence of the decay time τ2, which is mainly associated with optical‐phonon scattering  on photon energy. Square symbols correspond to experimental data obtained at 10 K, round symbols  to data measured at 300 K. The dotted line is a guide for the eye. The gray shaded region indicates the  reststrahlenband of SiC, where no measurements were possible. 

 

3.2. Two­color NIR spectroscopy: direct evidence for a hot carrier distribution  As mentioned in the previous section, a fast initial decay component τ1 ≈ 0.1 ps as well as  the  lack  of  an  optical‐phonon  bottleneck  around E  =  400  meV  are  indications  for  fast  thermalization  via  carrier‐carrier  scattering.  In  the  following  we  describe  a  two‐color  pump‐probe experiment with a blue‐shifted probe beam, which directly indicates that a  hot carrier distribution is established on a timescale of the order of 100 fs. To this end,  the idler beam of the OPO served as a pump beam, while the signal beam was applied for  probing at energies above the excitation energy. Energy conservation in the OPO crystal  implies that lowering the pump energy results in an increase of the probe energy (cf. Eq. 

1  and  Fig.  4(a)).  In  Fig.  4(b)  pump‐probe  signals  are  shown  for  three  probe  (pump)  photon energies, 0.82 eV (0.68 eV), 0.96 eV (0.54 eV), and 1.02 eV (0.48 eV). The pump  fluence in all these experiments was 16 µJ/cm2 and the sample (~50 layers) was kept at  room  temperature.  While  probing  at  0.82  eV  corresponds  to  a  situation  close  to  a  degenerate pump‐probe experiment, the highest probe energy exceeds the pump energy  by  more  than  a  factor  of  two.  Strong  positive  pump‐probe  signals  are  observed  for  all  three  combinations  of  pump  and  probe  photon  energies.  This  is  direct  evidence  for  photoexcited  carriers  at  energies  high  above  ½ Epump.  The  fact  that  the  pump‐probe 

(13)

signals for different photon‐energy combinations exhibit similar rise times indicates that  the hot carrier distribution is formed on a timescale beyond the temporal resolution of  this  experiment  (200  fs).  Similarly,  no  difference  in  the  rise  time  is  seen  by  comparing  blue‐shifted  two‐color,  red‐shifted  two‐color  and  degenerate  pump‐probe  signals  obtained  in  this  energy  range  (not  shown).  The  maximum  pump‐induced  transmission  decreases  with  increasing  probe  energy  (cf.  Fig.  4  (b)  and  4  (d).  The  pump‐induced  change  of  transmission  ΔT  =  (T‐T0)/T0,  where  T  is  the  transmission  with  optical  pumping  and  T0  without  optical  pumping,  of  a  single  layer  graphene  is  in  good  approximation: 

( )





 

 

− Δ

+

 

 Δ 

− Δ =

− Δ ≈

2

0 2

0

ω α ω

ω

α fe fh T

T . (2)

Here α0 = e2/(4ε0c) ≈ 2.3 % is the universal absorption coefficient of graphene [2], Δfe,h(ω,t) = fe,h(ω,t) − fe,h(ω,−) is the difference between the distribution function of electrons or holes at a time t and the equilibrium distribution function before the excitation.

Assuming that after thermalization the distribution function can be approximated by Fermi functions and that the undoped layers are well described by the chemical potential set to the Dirac point, we can estimate the electron temperature from our pump-probe data. Since the experiments are performed on a multilayer system, the absorption coefficient α0 for a single layer has to be replaced by the corresponding value for the multilayer system. This value is obtained from saturating the absorption of the system (cf. section 4.2). The experimental data are best described by an electron temperature Tel = 2150 K ± 150 K (cf. Fig. 4(d)).

 

(14)

 

Fig.  4:  Two‐color  pump‐probe  spectroscopy  with  a  blue‐sifted  probe  beam.  (a)  Schematic  representation of the experiment. (b) Measured (dots) pump‐probe curves, which are well described  by biexponential decays (solid lines). (c) Sketch of a hot carrier distribution probed at the energies ½  Eprobe. (d) Electron temperatures obtained for different probe eneries. The experimental data fit to an  electron temperature of 2150 K ± 150 K.  

 

Electron temperatures in the range from 1000 – 2000 K were deduced from degenerate  pump‐probe  experiments  with  1.5  eV  excitation  energy,  which  investigate  the  same  fluence  range  as  our  experiment  [16].  Similarly  to  our  experiment  direct  evidence  for  the presence of hot carriers was obtained by Obraztsov et al. [25]. In that experiment an  NIR‐pump  –  white‐light  probe  technique  was  employed.  In  that  experiment  carriers  at  probe photon energies ~30 % above the pump energy could be recorded with sufficient  signal‐to‐noise  ratio.  In  a  very  recent  study  hot  carriers  were  demonstrated  in  an  extreme  two‐color  pump‐probe  regime  by  Tani  et  al.  [28].  Applying  single‐cycle  THz  pulses with photon energies in the meV range but high field amplitudes (~300 kV/cm)  carriers  were  excited  to  high  energies,  as  confirmed  by  the  observed  induced  transmission  for  a  1.5 eV  probe  beam.  In  this  study  an  interesting  super‐linear  dependence  of  the  induced  transmission  on  the  THz  intensity  was  discovered.  It  is  attributed  to  carrier  multiplication  by  impact  excitation  [50]  and  seems  to  be  the  first 

(15)

clear  experimental  manifestation  of  this  effect.  With  a  technique  complementary  to  pump‐probe  experiments,  namely  time‐resolved  photoluminescence,  also  direct  evidence for hot carriers in graphene excited with NIR radiation was found [53]. 

 

3.3. Pump­probe spectroscopy in the mid infrared: identification of an optical  phonon bottleneck 

The  purpose  of  this  section  is  to  understand  the  strong  difference  in  relaxation  times  and  in  temperature  dependence  of  the  pump‐probe  signals  obtained  for E  =  245  meV  and E  =  72 meV  (cf.  Fig.  2(c),  Fig.  2(d)  and  Fig.  3).  To  this  end,  we  compare  the  experimental results to microscopic theory [48,50,51].

Within the density matrix formalism [54,55], we derive the graphene Bloch-equations [48,56].

This set of differential equations describes the coupled dynamics of the carrier and phonon occupation together with the microscopic polarization, which is a measure for the transition probability between the conduction and valence band. We consider the carrier-light coupling as well as the Coulomb and carrier-phonon interaction in a microscopic and consistent treatment. Our approach allows time-, momentum-, and angle-resolved calculations of the optical excitation and the subsequent relaxation. To compare our microscopic results with the experiment, we approximate the differential transmission signal by the change of the carrier density

k0

ρ

Δ in the state k0 that is optically excited and probed in a degenerate pump-probe experiment. The applied equations and a detailed description of the microscopic modeling can be found in Ref. 48.

The  results  of  the  microscopic  calculation  resemble  experimental  findings  well  (cf.  Fig. 

5(a)  and  Fig.  5(b)).  We  note  that  some  of  the  results  of  this  comparison  are  already  published  in  Ref.  27.  In  this  section  new  calculations  are  presented,  which  further  enhance the understanding of the relaxation dynamics.  

In both the experiment and the theory a fast initial component on a timescale of 0.5 ps is  observed for E = 245 meV, while for E = 72 meV the decay is characterized by the slower components only. For the temperature dependence the calculated curves also show the trend observed in the experiment, namely that the relaxation time for E  =  72  meV  depends  strongly on temperature while it is almost independent of temperature for E = 245 meV  (cf.  Fig.  (5(c)).  While  the  qualitative  trends,  in  particular  the  dependence  on  photon  energy  and  temperature,  agree  very  well  between  theory  and  experiment,  there  are 

(16)

quantitative  differences  in  the  relaxation  times.  All  the  experimentally  observed  relaxation times are roughly two times shorter as compared to the calculated times. This  may  be  related  structural  defects  and  grain  boundaries,  which  are  contained  in  the  graphene  samples  but  not  considered  in  the  microscopic  modeling.  Further  possible  reasons  for  the  somewhat  longer  relaxation  time  in  the  calculation  compared  to  the  experiment  are  discussed  in  Ref.  27. Comparable  long  relaxation  times  involving  a  strong  temperature  dependence  have  been  observed  in  NIR‐pump  –  THz‐probe  experiments [23].

For  identification  of  the  physical  processes  related  to  the  decay  of  the  pump‐probe  signal it is most instructive to switch off certain processes in the calculation. In Fig. 5(c)  the result for the full dynamics is compared with calculations, where the optical‐phonon  scattering is excluded. Counterintuitively, even at this photon energy, that is significantly  smaller  than  the  optical‐phonon  energy,  the  relaxation  is  still  dominated  by  scattering  via optical phonons. Much longer time constants are found for the relaxation solely via  acoustic  phonons.  The  dominant  nature  of  the  optical‐phonon  relaxation  channel  is  particularly pronounced at room temperature, but it is even seen at T = 10 K. This effect  is again pointing towards the strong carrier‐carrier scattering. As shown in the previous  section, carrier‐carrier scattering leads to a hot carrier distribution involving carriers at  energies  significantly  above  ½  Epump,  the  value  for  the  optically  generated  non‐

equilibrium distribution.  

   

(17)

 

Fig  5.  (a)  Experimental  pump‐induced  transmission  for  the  photon  energies  72  meV  and  245 meV  obtained at a lattice temperature of 10 K. The secondary pulses observed at delays around 7 ps (for E 

= 245 meV) and 15 ps (for E = 72 meV) are experimental artifacts produced by a second pump pulse,  that  is  caused  by  internal  reflection  in  the  substrate  and  a  beamline  window,  respectively.  (b)  Calculation based on microscopic theory for the relaxation dynamics of these two photon energies for  a  lattice  temperature  of  10  K.  (c)  Calculated  relaxation  dynamics  for  10  K  and  300  K,  taking  into  account the full dynamics (solid lines) and with the relaxation channel via optical phonons switched  off (dotted lines). Fig. 5(b) is reprinted from Fig. 2(a) in Ref. 27. 

 

Next we turn to the relaxation dynamics at E = 245 meV, i.e. at an energy which exceeds  the  optical  phonon  energy.  We  note  that  electrons  of  the  non‐equilibrium  distribution  immediately  after  optical  excitation  cannot  relax  via  optical  phonons  within  the  conduction  band,  since  the  electron  energy  ½E  =  123  meV  is  too  low.  Furthermore  interband  relaxation  via  optical  phonons  is  suppressed  by  Pauli  blocking  due  to  the  occupied  states  in  the  valence  band  (cf.  Fig.  6(a)).  However,  when  Coulomb  processes  are  included  in  the  relaxation  dynamics,  two  optical‐phonon  scattering  channels  open  up  (cf.  Fig.  6(b)).  One  is  the  intraband  relaxation  of  hot  carrier  within  the  conduction  band,  the  other  process  is  interband  relaxation  into  the  valence  band.  In  order  to  estimate,  which  of  the  processes  is  dominant,  microscopic  modeling  calculations  are 

(18)

performed  for  the  full  dynamics  and  for  the  situation  without  interband  phonon  scattering. Switching off the interband phonon scattering channel results in an increase  of  the  calculated τ2  from  8.3  ps  to  13  ps  indicating  that  interband  phonon  scattering  contributes  substantially  (cf.  Fig.  6(c)).  In  summary,  we  have  observed  a  phonon  bottleneck in the sense that optical‐phonon scattering becomes less efficient for photon  energies  below  the  optical‐phonon  energy.  However,  even  at  lower  photon  energies,  scattering  via  optical  phonons  is  still  much  more  efficient  than  scattering  via  acoustic  phonons. For photons in the range Ω < E < 2Ω both intraband and interband scattering  via optical phonons is important. 

 

Fig.  6:  Role  of  scattering  processes  for  a  photon  energy  of  245  meV.  (a)  Fully  suppressed  intraband  and  interband  relaxation  via  optical  phonons  from  the  optically  excited  non‐equilibrium  carrier  distribution.  (b)  Enabled  phonon  scattering  of  intraband  and  intraband  type  in  a  hot  carrier  distribution resulting from carrier‐carrier scattering. Calculated change in the probed carrier density  involving the fully dynamics (solid red line) and the dynamics without interband scattering via optical  phonons (blue dotted line). The calculation is performed for a sample temperature of 10 K 

 

3.4. Degenerate pump­probe spectroscopy in the far infrared: role of intraband  absorption 

In this section the surprising change in sign of the pump-probe signal as the photon energy is lowered from 30 meV to 20 meV is explained (cf. Fig. 2(e) and Fig. 2(f)). Furthermore we discuss a second surprising effect observed in the THz frequency range, namely the slightly faster relaxation at lower photon energies (cf. Fig. 2(e) – (g)). While the first effect is explained already in Ref. 27, the second effect is addressed here for the first time. In order to keep the discussion self-contained, we revisit the central points of the explanation of the sign- reversal before we turn to the issue of the relaxation times. As depicted in Fig. 7(a), interband absorption is not possible, if the photon energy is smaller than the twice the value of the

(19)

Fermi energy. However, free-carrier absorption results in a heating of the carrier distribution, i.e. a smearing out of the distribution around the Fermi edge. For the heated distribution interband absorption of pump photons is possible (cf. Fig. 7(a)). This means that pumping at E < 2Ef│ leads to increased absorption. In the figure the case of p-type graphene is displayed. Pump-induced absorption is similarly expected for n-type doping for E < 2│Ef│. A quantitative description can be obtained referring to the real part of the dynamic conductivity [57,24], which is proportional to the absorption,

(3)

Here σ0 = e2/4ħ is the “universal value” of the dynamic conductivity [3] and τ the momentum relaxation time. The first summand on the right-hand side of Eq. (3) indicates intraband Drude absorption, the second one interband absorption. The real part of the dynamic conductivity is plotted for different electron temperatures in Fig. 7(b). The calculation is performed for Ef = -13 meV and τ = 300 fs, where the latter parameter is deduced from the linewidth in magneto-spectroscopy experiments [41]. A finite absorption is found for all energies even for Tel = 10 K as the Drude peak at low energies merges with the tail of the interband absorption. The increase (decrease) of the absorption with increasing temperature for the photon energy 20 meV (30 meV) is indicated by the blue (red) arrow. To calculate the change in electron temperature induced by the pump beam, we assume the following simple relation,

2

) (

τ

− −

= el latt

p

el T T

c t P dt

dT (4)

where P(t) = I(t) Re(σ(Τel)) / ε0c) is the absorbed power per unit area (I, laser intensity; c, speed of light), cp the specific heat [58]. For τ2 we insert a value of 25 ps, according to the measured value for E = 30 meV. In turn we can calculate the change in transmission caused by the change in temperature according to Eq. (3). The results shown in Fig. 7(c) resemble the change in sign similarly to the experimental observation. A good agreement with the experiment is achieved for │Ef│ = 13 ± 2 meV, which is close to the value of 8 meV obtained from magneto-spectroscopy experiments of samples grown by the same method. We note that the obtained values are averaged over probed area by the beams of spot diameters of ~0.5 mm.

On smaller length scale the Fermi level may fluctuate due to charge puddles [59].

( )

( ) ( )

T . k

E T

k E

e T e

k

el B

f el

B f

T k / E T k / el E

B f B el f B el



 





 ω−

+



 ω+ + σ

ωτ+ π +

τ

= σ ω

σ

4 2 tanh

4 2 tanh

2

1 ln 1

Re 8

0

2 0 2

(20)

 

Fig. 7: (a) Pump‐induced absorption due to intraband excitation increasing the electron temperature  for E < 2│Efand pump‐induced induced transmission caused by interband absorption. (b) Real part  of the dynamic conductivity of a single graphene layer for different temperatures (10 K, black; 20 K,  blue; 50 K, green; 100 K red). (c) Pump‐probe signals calculated by the model described by Eq. (3) and  (4)  assuming  a  lattice  temperature  of  10  K.  (d)  The  change  from  induced  absorption  to  induced  transmission. 

 

To visualize the reduced scattering time with decreasing photon energy in the THz range  more clearly, the data shown in Figs. 2(e) and 2(f) are replotted in the same graph in Fig. 

8(a).  Interestingly,  this  trend  is  reproduced  by  the  simple  model  (see  Fig.  8(b)),  even  though  the  same  value τ2 = 25 ps is inserted in Eq. (4) for both photon energies. This indicates that the effect may not be related to a change in the effectiveness of the underlying physical processes, in particular the scattering via optical phonons, rather it is a result of the dependence of the absorption on the electron temperature in this particular energy range. As one can see in Fig. 7(b) the change in absorption induced by a particular change in electron temperature differs significantly at the position of the two arrows. This behavior results in different decay times of the pump-probe signal associated with these particular electron temperatures.

(21)

 

 

Fig. 8: Experimental (a) and calculated (b) pump‐probe signals for two photon energies in the THz  range. The sample is kept at 10 K. 

 

3.5. Signatures of the doped interface graphene layers observed in NIR pump­

probe experiments 

While the experimental results discussed previously were related to the response of the  quasi‐intrinsic  graphene  layers,  we  now  discuss  signatures  arising  from  the  highly  doped graphene layers at the interface to SiC. These signatures manifest themselves as  sign  reversals  of  the  pump‐probe  signal  occurring  at  larger  energies.  In  the  photon  energy  range  0.40  eV  < E  <  0.82  eV  (wavelength  range:  3.1  µm  –  1.52  µm)  the  pump‐

probe signal turns sign at specific probe energies (see table 1), where "specific" means  in this context that these energies are practically independent of pump photon energy. 

Exemplarily this is shown in Fig. 9 for the probe (pump) energies 0.82 eV (0.68 eV), 0.66  eV  (0.84  eV),  0.53  eV  (0.97  eV)  and  0.51  eV  (0.99 eV).  All  results  in  this  section  were  obtained at room temperature. We note that unlike all previously reported observations,  which are observed reliably at all positions of the three investigated samples, this effect  is seen for all samples, but strongly depends on the investigated position on each sample. 

Whereas  at  most  positions  the  strong  negative  signal  components  are  observed  at  the  specific  energies,  at  certain  positions  only  small  or  no  negative  components  are  found. 

Nevertheless  the  effect  is  reproducible  and  observed  at  the  same  specific  photon  energies  for  all  three  samples.  For  interpreting  the  results  we  assume  that  the  probe  energy  is  very  important  for  the  sign  changes  while  the  pump  energy  does  not 

(22)

significantly  contribute  to  this  effect.  Since  thermalization  occurs  on  time  scales  below  the  temporal  resolution  of  our  experiment,  the  pump  energy  should  be  of  minor  importance.  This  is  corroborated  by  the  observation  of  the  sign  changes  at  the  same  probe energies for the case of both single‐color and two‐color experiments (not shown). 

Because  the  two‐color  signals  are  less  obscured  by  interference  oscillations,  we  concentrate  on  the  two‐color  results.  In  Table  1  the  energy  ranges  where  negative  signals tails (cf. Fig. 9(c) and (e)) are observed are listed. We associate the change from  purely positive signals for E ≥ 0.82 eV to signals with pronounced negative tails for E ≤  0.66  eV  with  probing  above  and  below  twice  the  value  of  the  Fermi  energy  of  the  first  highly  doped  graphene  layer  at  the  interface  to  SiC  (cf.  Fig.  9(a)  and  (b)).  This  implies  that this first layer exhibits a Fermi energy E(f1)=0.37±0.04eV. Probing above the Fermi  edge  results  in  increased  transmission,  as  the  hot  carriers  created  by  the  pump  beam  contribute  to  Pauli  blocking.  Probing  below  the  Fermi  edge,  on  the  other  hand,  is  accompanied  by  reduced  transmission,  since  previously  filled  states  in  the  conduction  band are emptied, as the Fermi edge is smeared out by optical pumping. When the probe  energy  is  decreased  further,  the  signal  switches  back  to  a  purely  positive  shape  at  a  probe energy of ~0.52 eV (cf. Table 1 and Figs. 9 (e) and (f)). This is attributed to the fact  that states well below the Fermi edge are not affected by the optical pumping. Hence the  highly doped layer does not significantly contribute to the pump‐probe signal, while the  undoped  layers  lead  to  a  positive  pump‐probe  signal.  Another  sign  change  observed  between the probe energies of 0.40 eV and 0.43 eV is associated with the probing in the  vicinity of the Fermi edge of the second graphene layer, indicating E(f2)=0.208±0.008eV. 

Positive and negative signal components in this probe energy range were first observed  by Sun et al. in two‐color experiments with an amplified laser system on the same type  of graphene samples as employed in our experiments [20,21]. Our values for the Fermi  energies of the first two layers are in very good agreement with the values obtained by  Sun et al. of E(f1)=0.360eV and E(f2)=0.215eV [21]. Despite of this good agreement in the  transition  energies  for  the  sign  reversals,  the  shapes  of  the  pump‐probe  signals  in  our  experiment  and  the  ones  reported  by  Sun  et  al.  differ  significantly.  In  particular  the  negative  signal  parts  reported  by  Sun  et  al.  are  very  small  compared  to  the  positive  components which are present at energies in their experiment. In contrast, we observe a  full  reversal  of  the  sign  of  the  pump‐probe  signals  when  probing  in  the  vicinity  of  the  Fermi  edges.  Because  of  the  more  subtle  nature  of  sign  changes  and  because  of  the 

(23)

significantly  lower  signal‐to‐noise  ratio  caused  by  the  lower  repetition  rate  of  the  applied  laser  system,  the  previous  experiments  did  not  allow  one  to  obtain  relaxation  times  for  the  energy  ranges  associated  with  positive  and  negative  signal  tails,  respectively.  We  suggest  that  the  much  larger  relative  strength  of  the  negative  signal  components in our experiments compared to previous experiments is mainly caused by  the  10  –  100  times  lower  fluences  employed  in  our  experiments.  As  we  discuss  in  the  next  section,  increasing  of  the  pump  fluence  results  in  smaller  negative  components  relative to the positive components in the NIR range. The relaxation times τ2 found in our  experiments  are  somewhat  larger  in  this  energy  range,  where  the  doped  layers  contribute  (cf.  Table  1),  as  compared  to  the  typical  value  of  2.5  –  3  ps  observed  for  significantly  higher  (e.g.  1.5  eV)  or  lower  (e.g.  0.25  eV)  probe  energies.  We  can  not  explain  this  effect,  yet,  nevertheless  the  results  exclude  an  enhanced  relaxation  in  the  interface layers induced by coupling to substrate phonons. 

 

Fig.  9:  Schematic  illustration  of  probing  the  highly  doped  layer  at  the  interface  above  (a)  and  below  (b)  the  Fermi  energy.  (c‐f)  Two‐color  pump  probe  signals  for  different  probe  energies  and  pump  fluences  as  indicated.  The  colored  curves  are  experimental  data,  the  black  lines  fits  based  on  a 

(24)

biexponential decay. The steps observed in part (c), (e) and (f) around delay times of 7 ps are artifacts  caused by a secondary pump pulse caused by internal reflection in the substrate.  

(25)

   

Photon  energy 

(eV)  < 0.40  0.43 – 0.51  0.53 – 0.66  > 0.82 

Signal tail  ‐  negative  positive  negative  positive 

τ2  (ps)  4 ± 1  2.5 ± 1  4 ± 1  4 ± 1 

  E(f2)=0.208±0.008eV  E(f1)=0.37±0.04eV 

Table  1:  Overview  indicating  positive  and  negative  signal  “tails”  and  the  corresponding  relaxation  times τ2. The arrows indicate the changes in sign, which are associated with probing above and below  the Fermi level E(f1)andE(f2)of the first and second graphene layer at the interface to SiC, respectively. 

 

It may seem surprising that the negative signal caused by a single doped graphene layer  can dominate at certain probe energies over the signal of ~50 quasi‐intrinsic graphene  layers. It can be understood, however, by considering that a certain change in electron  temperature  results  in  a  much  larger  change  in  transmission  slightly  below  the  Fermi  edge of the doped layer as compared to high above the Fermi level in case of the quasi‐

intrinsic layers. For example, according to Eq. (3) a value ΔT/T0 = ‐2.5 × 10‐3 is expected  for  the  layer  with Ef  =  370  meV,  while ΔT/T0  =  2.1  ×  10‐5  is  expected  for  a  single  graphene  layer  with Ef  =  370  meV.  Here  we  consider E  =  0.66  eV,  i.e.  probing  slightly  below  the  Fermi  edge  of  the  doped  layer.  For  this  estimate  an  increase  in  electron  temperature from 300 K to 500 K induced by the pump beam is assumed. 

The  fact  that  similar  values  for  the  Fermi  energies  of  the  interface  layers  are  found  reproducibly  in  different  graphene  samples  on  the  C‐terminated  side  of  SiC  indicates  that the underlying charge transfer is of very robust nature and not affected by slightly  different  growth  parameters.  On  the  other  hand,  as  mentioned  previously,  we  find  a  strong  lateral  inhomogeneity  of  the  samples  with  respect  to  the  appearance  of  the  negative  signal  tails.  Further  studies  are  necessary  for  understanding  the  reasons  for  this inhomogeneous structure of the interface layers. Such studies could combine pump‐

probe  experiments  revealing  the  Fermi  edge  with  techniques  sensitive  to  structural  properties such as Raman scattering. 

(26)

 

(27)

4. Fluence dependence of relaxation dynamics and saturation behavior  4.1. Fluence dependent relaxation dynamics 

In this section we present results on the dependence of pump-probe signals on the pump fluence. The results for exitation with 1.5 eV radiation from a Ti:sapphire laser are presented in Fig. 10. A strong positive signal, which contains some interference oscillations, is followed by a small negative signal. The measured traces are well described by the following relation, which corresponds to pumping with a Gaussian pulse and a biexponential decay:

. 2 2

1 exp

2 2

1 exp

2 0

2 0

1 0

1 0 0





τ + σ





 σ

− −

⋅



 τ

− −

+



τ + σ





 σ

− −

⋅



 τ

− −

⋅ Δ =

sig sig

sig sig

t erf t t

B t

t erf t t

A t T

T

(5)

The parameter σsig, which characterizes the rise time of the pump-probe signal, is connected to the duration (full width at half maximum) of both the pump and probe pulses by the relation FWHMpulse = 2(ln2)0.5·σsig. Here Gaussian pulses are assumed. For all measured pump fluences A is positive, while B is negative. Almost independently of fluence τ1 = 100 fs is found. The decay time of the negative component, on the other hand, increases with fluences as depicted in Fig. 9(b). The amplitude of the positive component increases linearly with pump fluence in the investigated range, while B exhibits a non-monotonic fluence dependence. Since both pump and probe energies here are high above the Fermi edge even of the highly doped layer at the interface, the negative component cannot be understood by the mechanism described in the previous section.

Similar pump-probe signals containing strong positive and smaller negative components have been found in many [17,26,60,61], but not all [15,16,18] experiments, where probing around 1.5 eV has been applied. Unlike for the cases when the carrier distribution is probed around the Fermi edge of either intrinsic or highly doped layers, which were discussed in the last two sections, there is no widely accepted explanation for the small negative signals observed at much higher probe energies. A few possible mechanisms have been suggested to explain this effect. Malard et al. [62] have presented a model based on the dynamic conductivity including an intraband Drude term and a term for the interband transitions. They concluded that for low electron temperatures enhanced absorption dominates due to intraband contributions, while at high electron temperatures the decreased absorption due to interband transitions is the

(28)

predominant effect. We note that this model has similarities to the one presented in section 3.4, however for a very different energy range. Another explanation, namely thermal diffusion and pump-induced shrinkage of the band separation, has been offered earlier for the small negative components observed in pump-probe experiments on graphite [63,64]. Furthermore charge transfer between the substrate and the graphene layers has been proposed [60]. The latter mechanism, however, can clearly be ruled out for the experiment of Malard et al., since that experiment was performed on freely suspended graphene. Finally Auger processes and interband recombination have been suggested as reasons for the induced absorption observed after an initial increased transmission [17]. At present, the model proposed by Malard et al.

seems most convincing, since it predicts a fluence dependent change of the pump-probe signals, which agrees very well with the experimental findings described in the same paper [62]. The fluence dependencies observed in our experiment (cf. Fig. 10 (a) and (c)), which covers a much smaller fluence range as compared to the study of Malard et al. show trends that are consistent with the Malard model. We suggest that the reason for the lack of negative signal components in some of the previously reported pump-probe experiments at E ≈ 1.5 eV is connected to the high pump-fluences employed there, e.g. 160 µJ/cm2 in Ref. 15.

(29)

 

Fig. 10: (a) Single‐color pump‐probe signals for different pump fluences measured at for E = 1.5 eV at  room temperature. In the inset the negative parts of the signals are displayed on an enlarged vertical  scale.  The  colored  curves  are  experimental  data,  the  black  lines  are  fits  according  to  Eq.  (5).  (b)  Dependence  of τ2  on  pump  fluence.  Dependence  of  the  amplitude  A  corresponding  to  the  positive  signal components and the amplitude B corresponding to the negative signal components (cf. Eq. (5))  on  pump  fluence.  The  symbols  are  data  extracted  from  the  measured  curves,  the  black  dashed  line  indicates a linear dependence, the red dashed line is a guide for the eye. 

 

The increase of τ2 has also been seen in previous experiments. The effect was attributed to a hot phonon effect, i.e. the phonon temperature becoming similar to the electron temperature resulting in a slowing down of carrier relaxation [16]. An increase of the relaxation time constant is also predicted by microscopic modeling based on the density matrix formalism [49].

(30)

Similarly to the results obtained in the NIR range, an increase of τ2 with increasing pump  fluence was observed for all investigated photon energies in the MIR range. Exemplarily  a  series  of  pump‐probe  signals  for  different  fluences  is  depicted  in  Fig.  11.  Here τ2  increases from 25 ps to 30 ps in the applied fluence range. Again, we attribute this effect  to a decreased efficiency of the optical‐phonon relaxation channel due to the presence of  hot phonons. At longer delay times the slower relaxation due to scattering via acoustic  phonons is visible, however here the signal‐to‐noise ratio for the smaller fluence values  is  not  high  enough  to  conclude  a  fluence‐dependent  trend  of τ3.  There  is  a  significant  difference  between  the  fluency  dependence  of  the  pump‐probe  signals  acquired  in  the  MIR  and  NIR  ranges,  respectively.  While  in  the  NIR  range  a  linear  increase  of  the  maximum  induced  transmission  was  observed  for  fluences  up  to  100  µJ/cm2  (cf.  Fig. 

10(c)),  strong  saturation  of  the  induced  transmission  is  found  for  much  lower  fluence  values in the MIR range (cf. Fig. 11). A quantitative description of this effect is the topic  of the next section. 

 

Fig. 11: Pump‐probe signals for different fluences measured at E = 51 meV and a sample temperature  of 10 K. The dots are experimental data, the lines are fits assuming a biexponential decay. 

 

4.2. Spectral dependence of the saturation fluence 

In  the  MIR  range,  a  linear  increase  of  the  maximum  induced  transmission  with  pump  fluence for low fluences is followed by a sublinear increase for higher fluences (cf. Fig. 

12(a)). For all investigated photon energies the behavior can be described quantitatively  by the relation 

 

(31)

sat sat

T T

Φ Φ +

Φ

∝ Φ Δ

/ 1

/

0

max (6) 

where Φ  and Φsat  denote  the  fluence  and  the  saturation  fluence,  respectively.  Eq.  (6)  describes  the  saturation  behaviour  of  a  two  level  system.  Because  of  the  fast  thermalization, we expect the realistic situation for graphene to differ significantly from  a simple two‐level description, which takes into account only the energy states ‐½E and 

½E. In order to estimate how significant the situation in graphene differs from such an  ideal two‐level situation, we estimate the number of excited carriers and compare it to  the number of available states in the conduction band. Assuming a 1 µJ/cm2 pulse of E =  245 meV and taking into account the 2.3 % absorption of a single layer of graphene, we  obtain  5.9  ×  1011  cm‐2  excited  carriers.  On  the  other  hand,  the  number  of  states  in  the  conduction band in a 1 % wide region around the energy ½E is only 2.2 × 1010 cm‐2. The  1 % wide interval resembles the region, where direct excitation by the infrared pulse of  1 % spectral width is expected. For the calculation of the number of states the density of  states given by 

2

2 2

) 1 (

F s

vg v

g ε

π ⋅ ε =

ρ  (7) 

is  employed,  where ε  is  the  electron  energy, gv  =  gs  =  2  are  the  valley  and  spin  degeneracy  factors,  respectively,  and vF ≈  106  m/s  is  the  Fermi  velocity  [65].  The  fact  that the number of generated electrons exceeds the available number of states even for a  moderate fluence, where experimentally the signal is far from saturation, indicates that  fast  scattering  out  of  the  excited  state  at  ½E  is  of  key  importance.  We  suggest  that  Eq. 

(6) can still be applied, however, the obtained saturation fluence is much larger for the  realistic  “strongly  leaky”  two‐level  system  as  compared  to  the  value  for  an  ideal  two‐

level  system.  In  Fig.  12(b)  the  dependence  of  the  saturation  fluence  on  the  photon  energy is depicted. Since our NIR fluences were too low to reach saturation, we refer to  literature  values  for  the  NIR  range.  Interestingly  the  experimental  data  follow  a  quadratic  dependence  over  a  large  range  of  photon  energies.  For  an  ideal  two‐level  system we would expect a linear dependence, reflecting the linear density of states (cf. 

Eq. (7). The quadratic dependence points towards a linear increase of the scattering rate  out  of  the  ½E state  with  increasing  energy.  We  note  that  this  scattering  has  to  be  efficient on the timescale of the pulse duration. Hence the involved scattering is mainly 

Références

Documents relatifs

Pyroelectric current and field-dependent specific heat measurements on polycrystalline samples of the quadruple per- ovskite (LaMn 3 )Mn 4 O 12 give evidence of ferroelectricity

Landau level (LL) transitions in the monolayer and bilayer graphene inclusions of MEG are resolved, and considerable electron-hole asymmetry is observed in the extracted electronic

Regardless of the actual particle size distribution, a direct fitting for the entire signal trace yields a monodisperse equivalent mean particle size that is known to be

In order to avoid such systematic uncertainties in the final cross-sectional values, it was decided to use the U5b as reference target for the cross section in this neutron energy

As an example, consider a conventional saturated absorp- tion experiment (Fig. 1) in which the saturating field is suddenly switched off and the lineshape of the narrow

These changes reflect the establishment of the long range order and the subsequent decrease of its equilibrium value as the critical order-disorder temperature of 473 K

In a few cases where the wave- number of an O 2 rotational line differs only by a fraction of a cm -1 from the wavenumber of a silicon line at which the measurement takes

The microwave response of partially magnetized ferrites may be characterized by an (( effective H tensor permeability p,,,, defined as the ratio of the spatial